基于Arcgis的晋城市降雨量插值研究

基于Arcgis的晋城市降雨量插值研究

原媛，张雨涵

（晋城市气象局，山西 晋城 048000；晋城市气象局，山西 晋城 048000）

摘要：准确掌握降水量空间分布特征可为防汛工作提供科学性理论依据，也是发挥气象趋利避害作用的历史气候基础。由地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）和全球定位技术（GPS）构成的科学地理学技术体系已经日臻完善。其中，地理信息系统（GIS）是管理和分析空间数据的科学技术，可以及时、准确的向各类部门提供有关区域分析、战略决策等方面的地理（空间）信息。ArcGIS作为世界领先的地理信息系统 (GIS) 构建和应用平台，可供全世界的人们将地理知识应用到政府、企业、科技、媒体等领域。文章运用 ArcGIS10.0操作平台，利用空间分析，得到了晋城市各国家气象观测站降水量的空间结构性规律，并试述了空间降水分布特征。结果表明，晋城市降水资源分布差异较大，2018年-2020年的降水分布差异较大，在1542-1923mm之间，北面降水较多，东南面降水较多。整体从北到南呈现递增的趋势。通过对空间降水的分布情况，可以为晋城市进行汛期防范气象灾害及次生衍生灾害决策提供数据参考，也可以思考如何利用降水资源，发挥趋利作用。

关键词：ArcGIS；降水量；空间插值

引言

为了满足日益增多的精细化气象服务需求，尤其是为防汛工作提供可靠依据，需对晋城市期降水资源进行精细分析。由于气象观测站点监测到的降水量数据是典型的点数据，只能够表征有限范围内该要素的属性信息，因此想要对晋城市降水分布实现精细分析，就要先摸清没有气象观测站的地区尤其是山区的降水分布情况。

ArcGIS作为世界领先的地理信息系统 (GIS) 构建和应用平台，在空间分析研究上有科学性、实用性。近年来，一些气象工作者或者从事其他行业的工作者多用该平台开展气候资源、农业资源等的空间化研究，并积累了一些方法[1-4]。鉴于此，文章以晋城市为例，详述基于ArcGIS平台对晋城市降水分布特征进行分析，以期为进一步开展当地气候资源开发利用，发挥气象趋利避害作用提供参考依据。

1研究区域概述

晋城市位于山西省东南部，晋豫两省接壤处，全境居于晋城盆地，总面积9490平方公里。晋城市全境平均海拔600至700米，最高点为海拔2322米的中条山舜王坪，最低处是丹河、沁河下游河谷地，海拔接近300米。晋城市属暖温带半湿润大陆性季风气候区，受大陆性季风影响，四季分明，一般为：春季温暖多风，夏季炎热多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷干燥。年日照时数在2393~2630小时之间，平均为2563小时。年平均气温10.2~12℃，夏季七月平均气温27℃，极端最高气温38℃（1966年）。年降水量在626-674亳米之间，年降水日数为90-98天。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

本文所用的数据为晋城市5个国家级气象站点2018-2020年逐月降水量数据，地理基础数据采用晋城市各县行政边界与各国家站点经纬度信息。

表 1：晋城市各站点雨量经纬度信息表

图 1：晋城市气象观测站点分布图

分析晋城市范围内有5个国家气象观测站的降水数据，需考虑遵循地理学的基本规律即具有空间相关性，本文运用ArcGIS软件进行空间分析，这里选用最新版本ArcGIS10.0。所谓的空间插值分析，即是将离散点或者多边形分区数据，通过一个函数关系式使得逼近已知的空间数据，并能够根据该函数关系式推求出区域范围内其他任意点或者任意多边形分区范围的值。因而，通过空间插值分析，可以将数据补充完整，采用已知观测点降水量数据对待估点降水量进行预测，可以得到可信度较高的降水量预测结果，继而克服因自然条件和仪器设备的限制，实现解决因对空间某位置无法进行实际监测而导致的数据不足问题。对指导本地生产生活具有重要意义。

2.2研究方法

本文利用 2018～2020年晋城市5个国家站降水量数据，比较基于Arcgis的普通克里金法、反距离权重法、样条函数法、趋势面法4种空间插值方法以及插值结果与观测数据。

插值方法按其实现的数学原理可以分为两类：一是确定性插值方法，另一类是地统计插值。其中，确定性插值法又分为全局性插值（全局多项式插值法）和局部性插值（包括反距离权重法、径向基函数插值法和局部多项式插值法）；地统计插值则包括普通克里金插值、简单克里金插值、泛克里金插值、概率克里金等。

影响降水空间分布的因素有很多，如经度、纬度、距离水体的距离、高程、坡度、坡向等[5]，因此建立一个通用的降水模型比较困难。但是空间降水插值方法很多，主要有整体插值法(趋势面法和多元回归法等)、局部插值法(泰森多边形法、反距离加权法、克里金插值法和样条法)[6]。

可以根据影响降水空间分布的因素不同，选择合适的空间降水插值方法和降水模型。根据何红艳降水空间插值技术研究进展[7]，孔令娜基于ArcGIS的降水量空间插值方法研究[8]，对空间降水插值方法的优缺点进行比较，形成表2和表3。

表 2：空间降水插值方法优缺点比较（何红艳）[7]

表 3：空间降水插值方法优缺点比较（孔令娜）[8]

3结果分析

从图2-图5可以看出，晋城市2018年-2020年的降水分布差异较大，在1542-1923mm之间，北面降水较多，东南面降水较多。整体从北到南呈现递增的趋势。晋城市属暖温带半湿润大陆性季风气候区，主要降水集中在夏季，受大陆性季风影响，夏季盛行从海洋吹向陆地的偏南风，因此降水量较多，北面的高平水汽经过东部高大山脉的阻碍后，在这里又因运移较快导致累积量较少，因而降水较少。

图 2-5：四种空间插值下的晋城市2018-2020年降水量空间分布图

4结论

晋城市2018年-2020年的降水分布差异较大，在1542-1923mm之间，北面降水较多，东南面降水较多。整体从北到南呈现递增的趋势。降水受海陆位置，纬度位置，地形等多因子影响，且布设气象观测站时受地形因素、维护维修距离、人类活动以及经济基础等很多因素影响，故利用ArcGIS平台，通过空间插值方法，不仅可以精细地反映汛期降水资源水平方向和垂直方向上的分布情况，也可以对部分气象站点少、监测数据少地区实现数据的补充。

从晋城市全市区域来看，东南部乡镇汛期降水量较为丰沛，但山西省总体水资源较为短缺，因此降水量多的地区更加需要增强水源涵养功能。森林生态系统具有涵蓄土壤水分、补充地下水等功能，可以通过提高森林覆盖率来提升水源涵养能力。除此之外，因季风季候呈现夏季降水较为集中的特点，也容易引发山洪、地质灾害、中小河流洪水等次生衍生灾害，较多的植被覆盖率可有效减缓短时降水对地表的冲击。对降水空间的研究，是为了更好的合理利用气候和水资源，发挥气象趋利避害作用。

参考文献

[1]王婧.基于ArcGIS平台的唐山市降水量空间网格化处理[J].黑龙江水利科技,2019,47(09):112-114.

[2]郭兆夏,李星敏,朱琳,梁轶.基于GIS的陕西省年降水量空间分布特征分析[J].中国农业气象,2010,31(S1):121-123+128. 

[3]吕雁翔.基于ArcGIS的晋北黄土高原区典型频率年降水量分布特征研究[J].水资源开发与管理,2021(06):54-58.

[4]赵芳,陈岳涛.基于GIS空间分析的铜陵市白茶种植规划研究[J].现代测绘,2020,43(02):31-33.

[5]何红艳,郭志华,肖文发.降水空间插值技术的研究进展[J].生态学杂志,2005(10):1187-1191.

[6]胡霞,雷星松.基于ArcGIS的中国区域降水空间分析及其可视化[J].科技资讯,2009(24):115-116.

[7]何红艳,郭志华,肖文发.降水空间插值技术的研究进展[J].生态学杂志,2005(10):1187-1191.

[8]孔令娜,向南平.基于ArcGIS的降水量空间插值方法研究[J].测绘与空间地理信息,2012,35(03):123-126.

作者简介：原媛（1991.04），女，汉族，山西省晋城市人，本科，工程师，从事气象服务工作。